一种长时间序列森林冠层结构参数测量仪器及其解算方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及冠层结构测量仪器及其解算方法，具体设及一种长时间序列森林冠层 结构参数测量仪器及其解算方法，属于森林冠层分析技术领域。
【背景技术】
[0002] 叶面积指数（leaf area index, LAI)是单位地表面积上总的叶子表面积的一半， 是森林冠层重要的结构参数之一。叶片是植物重要的营养器官，大部分光合作用在叶片完 成，同时蒸腾作用也是通过叶片的气孔来实现的，是植物与外界进行物质、能量交换的主要 器官，因此，叶面积指数是衡量植物的固碳能力和蒸腾作用的重要参数。叶面积指数已经被 认为是描述森林健康、研究植被与外界的能量循环、物质循环的重要指标。
[0003] 聚集度指数是描述植被空间分布的聚集程度，分为树冠尺度聚集度指数和冠内叶 片的聚集度指数。W往光学测量叶面积指数研究的理论中，大部分是基于空隙随机分布假 设的，但实际中由于树木分布的非随机性、单株树木枝子的轮生、分枝结构、叶片的簇生等 特点会造成树冠之间聚集及树冠内部枝叶的聚集效应，该会导致基于空隙随机分布假设测 量的叶面积指数值偏低。准确的获得聚集度指数对于准确获取真实叶面积指数、冠层雨水 截流、蒸散发等研究具有重要意义。目前考虑阴生叶、阳生叶具有不同光合作用和固碳能力 的两叶碳循环模型中聚集度指数也是必要的输入参数，有研究表明，准确获取全年的聚集 度指数数据可W提高两叶模型模拟森林初级生产力20%精度。
[0004] 森林郁闭度指数是指森林中乔木树冠遮蔽地面的程度，它是反映林分密度的指 标。是国际最为通用的森林结构参数之一，联合国粮农组织也W郁闭度的大小来判断森林 的疏密程度。研究表明森林郁闭度在一定程度上决定着林下植被的分布和生长情况。
[0005] 由于树木及林分的生长特性，森林冠层的结构参数随着时间而变化，准确获得长 期的森林结构参数是碳循环模型、水循环模型等生态研究的基础。目前实地获取森林冠层 结构参数的方法包括直接法和间接法，直接法多为破坏性的取样方法，该些方法无法获取 长期连续观测数据；间接法测量主要是利用手持光学仪器的人工测量方法，测量叶面积指 数的仪器主要有LAI-2200、Trac、Sunscan等，测量聚集度指数主要仪器有Trac、鱼眼镜头 相机等，测量郁闭度指数为样地内随机选点人工查看被遮盖点的比例，但是该些方法都是 瞬时测量，要想获得长期数据需要测量人员多次重复测量，会带来一定的人为误差，而且费 时费力。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是为了解决现有森林冠层结构参数采集装置无法实现长时间序列 的数据采集，采集数据误差大，现有的解算方法繁琐，解算结果误差率大的问题。
[0007] 本发明的技术方案是：一种长时间序列森林冠层结构参数测量仪器，包括供电部 分和测量部分，所述测量部分包括车体测量装置和导轨装置，导轨装置的一端设有停靠棚， 所述供电系统通过停靠棚与车体测量装置建立电力传输连接，车体测量装置沿导轨运动。
[000引所述车体测量装置包括车壳体，车壳体上端设有滤光镜，车壳体下端设有若干车 轮组、减速电机、光栅盘、光栅传感器和温湿度传感器，车壳体内部设有单片机、时间模块、 存储模块、显示屏、第一保险管、第一时控开关、充电组件和光强模块，充电组件的输出端通 过第一时控开关和第一保险管与单片机的供电端建立连接，单片机的数据接收端分别连接 光栅传感器的输出端、温湿度传感器、光强模块和时间模块，所述单片机的输出端分别连接 减速电机、存储模块和显示屏，所述减速电机的输出端连接车轮组，光栅盘安装在车轮组上 并与车轮组同轴转动，光栅盘的位置与光栅传感器的感应部分位置对应，所述滤光镜的位 置与光强模块的位置对应，滤光镜可W减少林下散射光对测量光斑的影响，所述车体测量 装置在执行测量时单片机会首先通过温湿度传感器收集空气相对湿度数据，当相对湿度达 到阔值时终止测量，该样可W减少阴雨天对车体测量装置电子元件的损伤，通过光栅测距 传感器实现判断行驶距离，校准测量光斑大小的准确性。
[0009] 所述充电组件包括依次连接的充电接口、充电电刷、裡电池充电模块和内置裡电 池，充电接口置于车壳体外，充电电刷、裡电池充电模块和内置裡电池置于车壳体内，
[0010] 所述供电系统包括太阳能板和防水壳体，防水壳体内部设有蓄电池、太阳能充电 控制器、降压模块、第二保险管和第二时控开关，防水壳体外壁设有航空插头，太阳能板的 电能输出端通过太阳能插口连接太阳能控制器的输入端，太阳能充电控制器的输出端与蓄 电池的输入端建立连接，蓄电池的输出端通过依次串联的降压模块、第二保险管和第二时 控开关基于航空插头建立连接，防水外壳可适应林区天气，保证主体及传感器的工作寿命 和工作稳定性，太阳能板收集电能储存于蓄电池中，蓄电池通过固定轨道上的充电插头周 期性地为车体测量装置内置的裡电池充电，减少了充电接头的带电时间，避免在高湿情况 下充电，合理的周期提高了车体测量装置内置裡电池的使用寿命，同时满足车体测量装置 长期野外观测耗电，压模块和保险管，保证在安全电压、电流范围内工作为车体测量装置充 电，W免因电压过大烧坏元件，延误测量，所述时控开关，实现指定时间下周期性为车体测 量装置内置裡电池充电，W避免高湿情况下充电，合理的充电周期也可W延长裡电池的使 用寿命。
[0011] 所述导轨装置包括若干条轨道和若干组固定装置，每条轨道之间通过连接器建立 连接，每组固定装置包括调节夹、固定架和固定叉，调节夹固定在轨道的底面上，固定夹的 上端与调节夹建立连接，固定架的下端与固定叉建立连接。
[0012] 所述停靠棚包括前端敞口后端封闭的棚体，棚体后端的内壁上设有引导轨和缓冲 垫，所述引导轨上设有充电接头，引导轨和充电接头的形状位置与车体测量装置的充电接 口对应，棚体内的底面与轨道的连接处设有弧形停靠坡，所述引导轨可调整车体测量装置 的停靠位置，实现充电接头和车体测量装置的充电接口的准确对接，所述弧形停靠坡，可避 免雨水的流入，并保证观测车体测量装置停靠时不晃动。
[0013] 长时间序列森林冠层结构参数的解算方法：利用长时间序列森林冠层结构参数测 量仪器得到轨道上光强数据，车体测量装置的单片机根据写入的测量点位经绅度信息、轨 道角度，判断测量位置阳光垂直照射轨道方向的时间，沿轨道运动并执行测量，利用光强模 块收集光强数据，进而得到轨道所在样线上的林下真实的光斑分布，将获得轨道上的光强 值按阔值分为两组，大于阔值的光强对应测量点在光斑内，小于阔值的光强对应测量点在 叶片遮挡的阴影内，通过距离校正可W得到每一个记录光强点之间的距离，从而可W得到 每个光斑的长度；
[0014] 所述阔值的确定方法为：利用测量仪器得到轨道3-2上的光强数据，测量得光强 数据按某一界限分为两组其中一组值均大于界限值另一组值均小于等于界限值，求得两组 组内方差和，将界限值在最小光强到最大光强范围内由小到大改变，求得每次分组后的组 内方差和，对应最小的组内方差和的界限值即为阔值；
[0015] 根据空隙分布理论，当叶片随机分布情况下有：
[0016]